魏 力

基于電子控制電路的健身單車(chē)發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)發(fā)研究

魏 力

針對(duì)健身器材中的健身單車(chē)的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一款健身單車(chē)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用人在健身單車(chē)上運(yùn)動(dòng)健身所產(chǎn)生的機(jī)械功作為發(fā)電機(jī)的牽引動(dòng)力以使發(fā)電機(jī)輸出電能，為其他適宜的用電設(shè)備提供電能。本文就本設(shè)計(jì)方案的特殊設(shè)計(jì)需求以及系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行了討論，并對(duì)組成該系統(tǒng)的各個(gè)部分的設(shè)計(jì)方案與理念進(jìn)行論述，最后對(duì)本方案的可行性進(jìn)行了論證。

健身單車(chē)；電子控制電路；發(fā)電機(jī)；電力電子器件

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平日益提高，在物質(zhì)條件得到充分滿(mǎn)足的情況下，人們更加關(guān)注身體健康，而健身作為鍛煉身體、保持健康的重要選擇之一，在當(dāng)今社會(huì)越來(lái)越受到人們的歡迎，因而各種健身會(huì)所如雨后春筍在各大城市掛牌營(yíng)業(yè)，各種新穎的健身器材也被開(kāi)發(fā)和推廣。針對(duì)這種情況，筆者通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)在健身過(guò)程中，有著大量的由人體運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量白白的被浪費(fèi)，因此筆者大膽設(shè)想，提出了利用人們健身時(shí)所產(chǎn)生的能量來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，從而產(chǎn)生電能供給其他用電設(shè)備使用的創(chuàng)意，可以說(shuō)這一創(chuàng)意正好契合國(guó)家提倡的節(jié)能環(huán)保理念，在當(dāng)前各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)發(fā)和推廣節(jié)能產(chǎn)品的大環(huán)境下，健身單車(chē)發(fā)電系統(tǒng)必然會(huì)具備一定的規(guī)模開(kāi)發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景。

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求

既然要利用健身單車(chē)所產(chǎn)生的動(dòng)能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，而健身單車(chē)作為健身器材的一種又具有其自身的特點(diǎn)，因此在該發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中首先要對(duì)健身單車(chē)發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)該具有的特點(diǎn)以及需要著重考慮的問(wèn)題進(jìn)行論證。筆者認(rèn)為就系統(tǒng)的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)的基本要求有五個(gè)方面：一是功率效率的要求，筆者通過(guò)對(duì)多個(gè)健身場(chǎng)所的實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一般一個(gè)成年人在健身單車(chē)上做健身運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均功率為l50～180W，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該采取功率小且效率較高的發(fā)電機(jī)；二是轉(zhuǎn)速的不穩(wěn)定性，由于參與健身的人群有性別、年齡、體能狀況以及運(yùn)動(dòng)喜好的不同，騎車(chē)的速度也會(huì)有所不同，我們知道作為發(fā)電機(jī)的牽引動(dòng)力的健身單車(chē)機(jī)械運(yùn)動(dòng)速度越大，騎車(chē)時(shí)所受到的阻力也將越大，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮引入轉(zhuǎn)速可調(diào)裝置，以適應(yīng)不同人群的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)；三是輸出的不穩(wěn)定性，由于人們?cè)诮∩韱诬?chē)上運(yùn)動(dòng)時(shí)不可能始終保持一個(gè)速度，所以會(huì)導(dǎo)致掛在后面的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也處于變速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這必然會(huì)使其輸出電壓忽高忽低，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須加入穩(wěn)壓系統(tǒng)以處理電壓的不穩(wěn)定問(wèn)題；四是頻繁的啟停，由于參與健身人員的自身體力問(wèn)題，健身單車(chē)不可能一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，必然會(huì)因健身者的反復(fù)停歇而處于頻繁啟停狀態(tài)，所以該系統(tǒng)應(yīng)該具有適應(yīng)頻繁啟停的能力；五是發(fā)電和用電的平衡問(wèn)題，在無(wú)電能存儲(chǔ)裝置的系統(tǒng)中電能必須是即發(fā)即用，才能避免電能的浪費(fèi)，但是健身機(jī)構(gòu)中健身單車(chē)的使用者有時(shí)可能會(huì)很多有時(shí)卻很少，所以在騎車(chē)人多時(shí)會(huì)造成電能浪費(fèi)，騎車(chē)人少時(shí)又有可能造成電能不足或斷電，因此在系統(tǒng)中需要加入一個(gè)電能儲(chǔ)存裝置。

2.系統(tǒng)的工作原理

健身者踩踏健身單車(chē)腳踏板使其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其速度較低，所以加入一個(gè)傳動(dòng)裝置將速度提高數(shù)倍，使其滿(mǎn)足發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度的要求，永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子在其帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)出三相交流電，交流電經(jīng)三相二極管整流裝置整流后成為電壓脈動(dòng)的直流電，直流電輸入到直流穩(wěn)壓斬波器，PWM輸出控制器利用電壓反饋信號(hào)的輸入，控制直流穩(wěn)壓斬波器件的占空比，從而使其輸出成為幅值保持穩(wěn)定的直流電，直流電再經(jīng)過(guò)逆變器的逆變，轉(zhuǎn)化為頻率穩(wěn)定、電壓規(guī)律變化的交流電，最后輸出到指定的用電設(shè)備供其使用。并且為了避免電能浪費(fèi)和斷電現(xiàn)象的發(fā)生，在系統(tǒng)中加入蓄電池及其充電裝置，當(dāng)電能足夠使用電設(shè)備正常工作而有盈余時(shí)則發(fā)出控制信號(hào)給蓄電池充電，當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電能滿(mǎn)足不了用電設(shè)備的使用時(shí)則控制蓄電池箱負(fù)載放電，使其正常工作。

3.系統(tǒng)各部分原理分析

3.1 發(fā)電機(jī)的選擇

結(jié)合健身單車(chē)的運(yùn)行特點(diǎn)，本系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)選用永磁式發(fā)電機(jī)。筆者針對(duì)健身者在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的功率及能夠承受的阻力情況，對(duì)發(fā)電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)做了如下的計(jì)算與確定：1)額定功率P(W)：健身者在單車(chē)上運(yùn)動(dòng)時(shí)的功率約為l50-500W，在考慮單車(chē)自身阻力損耗的前提下，確定發(fā)電機(jī)的額定功率為150-400W；2)額定電壓U(V)：發(fā)電機(jī)的額定電壓選擇之后的電力電子電路的正常工作電壓，即12-24V；3)額定轉(zhuǎn)速Nn(r/min)：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速越大，其產(chǎn)生的洛倫茲力也將越大，健身者運(yùn)動(dòng)而拖動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子所克服的阻力也就越大，所以額定轉(zhuǎn)速選擇為1000-3000r/min。據(jù)此我們選擇使用JYWF永磁式交流發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)采用電樞爪控制輸出電壓，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，能夠保證其輸出電壓仍然保持基本的穩(wěn)定。

3.2 電力電子控制電路

因?yàn)榘l(fā)電機(jī)輸出的電能不可能是理想的正弦波，其任何電壓和頻率的異常波動(dòng)以及由于波動(dòng)而形成的波形畸變都有可能使設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)惡化。所以在系統(tǒng)中必須引入電力電子電路對(duì)其進(jìn)行控制，以確保當(dāng)交流輸入電源出現(xiàn)異常波動(dòng)或者斷電時(shí)，仍然能夠向用電設(shè)備正常供電，同時(shí)保證良好的供電質(zhì)量，使用電設(shè)備不至于受到影響。

電力電子控制電路的工作原理可以描述為：發(fā)電機(jī)輸出的交流電通過(guò)整流濾波裝置后被整流為直流電，再用斬波器將使其電壓進(jìn)一步趨于穩(wěn)定，然后將其逆變?yōu)?0Hz恒頻恒壓的交流電。同時(shí)，斬波器輸出的直流電進(jìn)入蓄電池充電回路給其充電，由于蓄電池的引入，即使發(fā)電機(jī)停止工作，蓄電池也能夠在一定時(shí)間內(nèi)給逆變器供電，用電設(shè)備仍然能夠獲得恒頻恒壓交流電而正常運(yùn)行。

3.2.1 整流濾波電路

整流濾波電路是用來(lái)將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，為了使結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，將其二極管按照理想模型來(lái)處理，整流濾波電路原理如圖1所示。這里采用橋式整流電路，主要是因?yàn)闃蚴秸麟娐返碾娙蓦娐繁容^簡(jiǎn)潔，輸出電壓較高，紋波電壓較小，效率較高。

表1 健身單車(chē)發(fā)電系統(tǒng)各傳動(dòng)裝置傳動(dòng)比

圖1 整流濾波電路原理圖

3.2.2 穩(wěn)壓斬波電路

穩(wěn)壓斬波電路主要用于將電壓幅值在一定范圍之內(nèi)變化的的直流電采用周期性的斬波，轉(zhuǎn)化為幅值固定的直流電。穩(wěn)壓斬波電路中的電容器可以對(duì)輸出電壓中的紋波進(jìn)行有效的抑制，而且該電容器的容量越大，其對(duì)紋波的抑制作用越好，同時(shí)使其供電的維持性也越優(yōu)越。

3.2.3 逆變電路

逆變電路是將通過(guò)穩(wěn)壓斬波電路后電壓穩(wěn)定的直流電或者來(lái)自于蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化為波形呈正弦的恒壓恒頻交流電，以供給用電設(shè)備使用。本系統(tǒng)中使用了全橋逆變電路，該電路所產(chǎn)生的電壓幅值是半橋逆變電路的兩倍，使本系統(tǒng)具有對(duì)電能更加優(yōu)越的利用性能。

3.3 傳動(dòng)裝置

考慮到健身單車(chē)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)中選擇塔輪皮帶傳動(dòng)方式。經(jīng)過(guò)實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)一般的健身者騎車(chē)的轉(zhuǎn)速為55-100r/min，而我們選擇的發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1000-3000r/min，按照這個(gè)要求選擇傳動(dòng)比；塔輪傳動(dòng)屬于有級(jí)變速帶傳動(dòng)裝置，其變速技術(shù)一般為3-5級(jí)。在軸上固定了若干個(gè)塔形皮帶輪，由于這些塔形皮帶輪的各級(jí)直徑有所不同，因此當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)塔輪上皮帶的位置達(dá)到三個(gè)不同級(jí)別的轉(zhuǎn)速比。

4.發(fā)電系統(tǒng)的可行性驗(yàn)證

4.1 單車(chē)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程

實(shí)驗(yàn)時(shí)，由普通的成年人（其騎車(chē)速度為55-100r/min）踩動(dòng)健身單車(chē)，單車(chē)后輪通過(guò)皮帶傳動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)單車(chē)踏板、后輪和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的傳動(dòng)比進(jìn)行檢測(cè)，得到如表1所示的數(shù)據(jù)。

從表1能夠看出，該系統(tǒng)在低速時(shí)，傳動(dòng)比為l:2:2l，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為ll55-2100r/min；

中速時(shí)，傳動(dòng)比為1:2.5:26.25，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1457.5-2625r/min；高速時(shí)，傳動(dòng)比為l:3:31.5，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速能達(dá)到1732.5-3150r/min。

4.2 發(fā)電機(jī)及整流濾波電路實(shí)驗(yàn)分析

發(fā)電機(jī)輸出的脈動(dòng)交流電，被整流濾波回路整流之后，變成脈動(dòng)直流電，用示波器對(duì)發(fā)電機(jī)交流輸出端和整流濾波回路直流輸出分別進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)用萬(wàn)用表測(cè)量各種轉(zhuǎn)速下的交流、直流電壓有效值，結(jié)果表明當(dāng)健身單車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域穩(wěn)定時(shí)，交流電壓和直流電壓也基本穩(wěn)定。

4.3 穩(wěn)壓斬波及逆變電路實(shí)驗(yàn)分析

在普通成年人以55～100r/min的速度踩動(dòng)單車(chē)時(shí)，永磁式發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)過(guò)整流濾波后輸出電壓在l3～14V范圍內(nèi)脈動(dòng)的直流電，該脈動(dòng)的直流電經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓斬波電路后變成穩(wěn)定的直流電，該直流電經(jīng)過(guò)逆變器逆變之后，得到恒頻恒壓的正弦交流電，該交流電在沒(méi)有負(fù)載的情況下能夠穩(wěn)定在227-228V的水平，這就證明該系統(tǒng)輸出電能能夠滿(mǎn)足各種用電設(shè)備的需求。

5.總結(jié)

本文充分運(yùn)用了電力電子電路原理、機(jī)械傳動(dòng)等方面的相關(guān)理論，針對(duì)當(dāng)前健身領(lǐng)域使用的健身單車(chē)的運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于電子控制電路的健身單車(chē)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠很好地利用健身者健身運(yùn)動(dòng)過(guò)程中消耗的人體肌能轉(zhuǎn)化而來(lái)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)動(dòng)能，采用永磁發(fā)電裝置及相關(guān)的控制電路發(fā)電供特定的用電設(shè)備使用，系統(tǒng)在保證良好的健身?xiàng)l件的同時(shí)，將健身者運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能充分利用，達(dá)到了節(jié)能減排的目的，文中對(duì)該方案的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明本系統(tǒng)具有很好的可行性。

[1]魏連榮.電力電子技術(shù)及應(yīng)用[M].化學(xué)工業(yè)出版社,2010．

[2]王其英等.實(shí)用電源技術(shù)手冊(cè)UPS電源分冊(cè)[M].遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,2002,6．

[3]王超.有可取之處的“永動(dòng)機(jī)”——評(píng)《帶微型發(fā)電機(jī)的電動(dòng)自行車(chē)[J].發(fā)明與創(chuàng)新,2005(4).

[4]邢鋼,徐玉秀.再生能源健身自行車(chē)研制及動(dòng)態(tài)分析[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,25(1).

魏力（1970—），男，廣東梅州人，大學(xué)本科，主要研究方向：電子電氣、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的技術(shù)及應(yīng)用。